CC BY
87
ИЗУЧЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И ВЕРТИКАЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ GPS-НАБЛЮДЕНИЙ И НИВЕЛИРОВАНИЯ I КЛАССА
Наталья Николаевна Кобелева
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры высшей геодезии, тел. (383) 343-29-11
Инна Евгеньевна Дорогова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры высшей геодезии, тел. (383) 343-29-11, e-mail:
inna_dorogova@mail. ru
По результатам десяти циклов наблюдений GPS-измерений и нивелирования 1 класса на пунктах геодинамического полигона Таштагольского железорудного месторождения был выполнен анализ движения и деформации земной коры с помощью метода конечных элементов. Построены поля распределения деформационных характеристик и вычислены уклонения нормалей проведенных к каждому конечному элементу (треугольнику).
Ключевые слова: геодезические наблюдения, движения земной коры, конечный элемент, нормаль, визуализация.
INVESTIGATION OF EARTH’S CRUST HORIZONTAL AND VERTICAL MOVEMENTS BY GPS-OBSERVATIONS AND FIRST-ORDER LEVELING
Natalya N. Kobeleva
Senior lecturer, Department of Advanced Geodesy, Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., phone: (383) 3432911
Inna E. Dorogova
Post-graduate student, Department of Advanced Geodesy, Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., phone: (383) 3432911, e-mail: inna_dorogova@mail.ru
Analysis of the Earth’s crust movements and deformations using finite-element method was conducted on the basis of ten cycles of GPS-measurements and first-order leveling at the points of geodynamic testing area (Tashtagol iron-ore deposit). The fields of deformation characteristics distribution were constructed, deviations of normal drawn to each finite element (triangle) were calculated.
Key words: geodetic observations, earth’s crust movements, finite element, normal, vizualization.
Движения и деформацииземной коры природного или техногенного характера вызывают смещения пространственного положения точек или блоков земной поверхности. Так как любое движение является следствием воздействия многочисленных временных факторов, то и их количественные характеристики могут быть получены на основе повторных спутниковых, астрономогеодезических
и гравиметрических наблюдений, выполняемых с определенной
периодичностью. Эти методы наблюдения дают дискретную информацию о смещениях точек с известными координатами.
На пунктах геодинамического полигона Таштагольского железорудного месторождения были выполнены десять циклов GPS-наблюдений и нивелирование I класса (с 14.06.2005г. по 19.09.2008г.) Измерения проводились сотрудниками лаборатории сдвижения горных пород Восточного научноисследовательского горнорудного института (г. Новокузнецк) и лаборатории горной информатики Института горного дела СО РАН (г. Новосибирск) [1]. В результате были получены наблюдения горизонтальных и вертикальных смещений пунктов, которые послужили исходными данными для анализа напряженно-деформированного состояния объекта.
По выполненным измерениям построены графики изменения координат пунктов во времени и вычислены их скорости смещения. Из анализа данных графиков сделан вывод о том, что скорости горизонтальных смещений пунктов резко возрастают с начала наблюдений и достигают максимальных значений примерно через 3 месяца, затем быстро снижаются и к 14 месяцу наблюдений приобретают значения близкие к нулю. Скорости вертикальных смещений пунктов изменяются неравномерно от цикла к циклу и значения скоростей становятся близкими к нулю только к концу наблюдений. Значительные изменения скоростей связаны с добывающими процессами в пределах площадки месторождения.
Дальнейшее изучение горизонтальных и вертикальных движений земной коры выполнялось с применением метода конечных элементов [2]. Для изучения горизонтальных движений выполнено разбиение исследуемой области на конечные элементы (рис. 1) и получены поля распределения деформационных характеристик, приведенные в работе [3].
> 400 600 ИОи
Рис. 1. Выделение конечных элементов для Таштагольского ГДП
в программе Е1си
Недостатком полученных результатов [4] является то, что в центре геодинамического полигона находиться провал, который не дает выполнить инструментальные измерения и усложняет анализ данных о смещениях земной коры центральной части полигона.
Для устранения этого недостатка и изучения вертикальных движений из созданной ранее геометрической модели полигона, состоящей из одиннадцати пунктов, были выбраны шесть, для которых известны смещения координат для каждого из десяти циклов наблюдения. Модель разбиения геодинамического полигона на конечные элементы в виде треугольников показана на рис. 2.
Рис. 2. Выделение конечных элементов западной части Таштагольского полигона
Выделение конечных элементов для Таштагольского полигона значительно отличается от модели месторождения, выполненного в программе Е1сШ;. В данном случае учтен тот факт, что разбивать исследуемую территорию на треугольники над провалом нецелесообразно из-за отсутствия необходимых измерений. Таким образом, исследуется западная часть Таштагольского месторождения, которая включает небольшой участок разрабатываемого карьера.
Для оценки всей поверхности конечного элемента в качестве третьей вершины принимается центр тяжести треугольника. Каждый треугольник представляется в виде векторов. Тогда координаты нормали к плоскости данной фигуры можно найти, используя формулы векторной алгебры, приведенные в [5].
После определения координат нормальных векторов для каждого цикла, были найдены углы между нормалями нулевого и каждого последующего циклов. Результаты вычислений показывают, что значительные смещения пунктов по высоте произошли через один год после начала взрывных работ, что соответствует 8-10 циклам измерений. Наибольшие значения углов отклонения нормалей наблюдаются в треугольниках один, четыре и пять.
Следующим этапом обработки было нахождение углов отклонения нормалей между соседними циклами наблюдений. Результаты вычислений приводятся в табл. 1.
Таблица 1
Значения углов между нормалями смежных циклов
№ треуголь ника Смежные циклы
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10
' ' ' ' ' ' ' ' '
1 53,35 4,69 1 27,82 59,31 1 41,88 13,32 15,57 9,44 16,89 30,65
2 12,13 5,76 8,83 3,00 24,45 12,35 3,09 2,68 12,08 14,15
3 5,02 8,00 25,48 10,83 26,72 16,51 3,43 10,25 32,31 12,17
4 17,28 1 22,62 26,23 31,48 19,35 55,84 16,09 29,86 16,75 14,16
5 44,67 2 30,19 29,58 1 15,25 30,60 2 4,01 25,29 16,73 37,44 35,68
6 5,39 6,91 10,92 7,83 0,48 21,35 4,08 9,92 13,50 3,98
Анализ полученных результатов позволяет сделать выводы, что максимальные изменения в положении пунктов замечены между вторым и третьим циклами, что соответствует периоду с первого по третий месяц наблюдений. Наибольшие деформации испытывают плоскости треугольников один, четыре и пять. Похожие результаты дало исследование горизонтальных движений земной коры с учетом основных законов теории упругости.
В заключении стоит отметить, что необходимо продолжать комплексное изучение вертикальных и горизонтальных движений земной коры.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лобанова, Т.В. Разработка научно-методических основ геомеханического обеспечения подземной отработки железорудных месторождений Сибири в геодинамиески активном регионе: автореф. дис. доктора техн. наук. - Новосибирск, 2009. - 37 с.
2. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. - М.: Недра, 1987. - 221 с.
3. Дорогова И.Е. Интерпретация наблюдений за движениями земной коры на техногенном полигоне // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 191-196.
4. Дорогова И.Е. Изучение движений и деформаций земной коры на геодинамическом полигоне Таштагольского железорудного месторождения // Вестник СГГА. - 2010. -Вып. 2 (13). - С. 9-12.
5. Кобелева Н.Н. Использование метода конечных элементов к описанию вертикальных движений земной коры // ГЕ0-Сибирь-2008. IV Междунар. науч. конгр. : сб.
материалов в 5 т. (Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.). - Новосибирск: СГГА, 2008. Т. 1, ч. 2. - С. 65-67.
© Н.Н. Кобелева, И.Е. Дорогова, 2013
